from abc import ABC, abstractmethod
from typing import List, Dict, Optional, Any

# 条件导入 FEniCSx 类型，以便即使 FEniCSx 在某些环境中不完全可用（例如，用于配置验证脚本），
# Pydantic 模型也能被定义。

try:
    import dolfinx
    from dolfinx import fem, mesh
    import ufl
    from mpi4py import MPI
    FENICSX_AVAILABLE = True
except ImportError:
    FENICSX_AVAILABLE = False
    # 如果 FEniCSx 不可用，则定义用于类型提示的虚拟类型
    class fem:
        class Function:
            pass
        class DirichletBC:
            pass
    class mesh:
        class MeshTags:
            pass
    class ufl:
        class Form:
            pass
        class Argument:
            pass
        class Measure:
            pass
    class MPI:
        class Comm:
            pass 

if FENICSX_AVAILABLE:
    from .simulation_parameters import SimulationParameters # 假设在同一目录或可安装
else:
    # 如果 FEniCSx (及其对 SP 的潜在依赖) 不存在，则使用虚拟的 SimulationParameters
    class SimulationParameters:
        pass 


class ProblemDefinitionBase(ABC):
    """
    用于定义 PEMFC 模拟中物理问题的抽象基类。

    该类为设置变分形式、边界条件以及管理特定物理现象
    （例如，电化学、热传递）待求解的变量提供了一个通用接口。
    """

    def __init__(self,
                 problem_name: str,
                 fem_entities: Dict[str, Any], 
                 material_functions: Dict[str, Any], 
                 params: SimulationParameters, 
                 domain_tags: Optional[mesh.MeshTags] = None, 
                 dx_measure: Optional[ufl.Measure] = None, 
                 ds_measure: Optional[ufl.Measure] = None, 
                 boundary_markers: Optional[Dict[str, Any]] = None, 
                 comm: Optional[MPI.Comm] = None,
                 **kwargs):
        """
        初始化 ProblemDefinitionBase。

        参数:
            problem_name (str): 此问题实例的唯一名称 (例如, 'phi_s_anode_cl')。
            fem_entities (Dict[str, Any]): 包含基本 FEniCSx FEM 实体的字典。
                                           预期的键可能包括 'mesh', 'function_spaces',
                                           'trial_functions', 'test_functions', 'solution_variables'。
                                           具体内容取决于具体子类的需求。
            material_functions (Dict[str, Any]): 材料属性函数的字典 (fem.Function 或 ufl.Expr)。
                                                键是属性名称 (例如, 'solid_conductivity')。
            params (SimulationParameters): 包含所有模拟参数的 Pydantic 模型实例。
            domain_tags (Optional[dolfinx.mesh.MeshTags]): 域 (子域) 的网格标签。
            dx_measure (Optional[ufl.Measure]): 用于 dx (单元/体积元) 积分的 UFL 度量。
            ds_measure (Optional[ufl.Measure]): 用于 ds (面/表面元) 积分的 UFL 度量。
            boundary_markers (Optional[Dict[str, Any]]): 将边界名称映射到其标记 ID 或标签的字典。
            comm (Optional[MPI.Comm]): MPI 通信器。
            **kwargs: 特定问题类型的附加关键字参数 (例如, 电流密度表达式)。
        """
        self.problem_name = problem_name
        self.fem_entities = fem_entities
        self.material_functions = material_functions
        self.params = params
        self.domain_tags = domain_tags
        self.dx_measure = dx_measure
        self.ds_measure = ds_measure
        self.boundary_markers = boundary_markers
        self.comm = comm
        self.kwargs = kwargs # 存储额外的参数

        # 子类在 setup_problem() 中定义的属性
        self._variable_to_solve: Optional[fem.Function] = None
        self._test_function: Optional[ufl.Argument] = None
        self._trial_function: Optional[ufl.Argument] = None # 用于线性问题或雅可比矩阵
        
        self._residual_form: Optional[ufl.Form] = None
        self._jacobian_form: Optional[ufl.Form] = None
        self._bilinear_form: Optional[ufl.Form] = None
        self._linear_form: Optional[ufl.Form] = None
        self._bcs: List[fem.DirichletBC] = []

        # 根据设计文档，在初始化后立即调用 setup_problem
        if FENICSX_AVAILABLE: # 仅当 FEniCSx 确实存在时才调用
            self.setup_problem()
        else:
            print(f"警告: FEniCSx 不可用。跳过 {self.problem_name} 的 setup_problem()。")

    @abstractmethod
    def setup_problem(self) -> None:
        """
        抽象方法，由子类实现。
        此方法应:
        1. 识别并存储待求解的特定 `fem.Function` (`self._variable_to_solve`)。
        2. 识别并存储相应的试函数 `ufl.Argument` (`self._test_function`)。
        3. 如果需要，识别并存储相应的试验函数 `ufl.Argument` (`self._trial_function`)。
        4. 组装变分形式 (残差、雅可比，或双线性/线性) 并存储它们
           (例如, `self._residual_form`, `self._jacobian_form`)。
        5. 定义并存储 `fem.DirichletBC` 对象列表 (`self._bcs`)。
        """
        pass

    def get_residual_form(self) -> Optional[ufl.Form]:
        """返回变分问题的残差形式 (F) (用于非线性问题)。"""
        return self._residual_form

    def get_jacobian_form(self) -> Optional[ufl.Form]:
        """返回变分问题的雅可比形式 (J) (用于非线性问题)。"""
        return self._jacobian_form

    def get_bilinear_form(self) -> Optional[ufl.Form]:
        """返回变分问题的双线性形式 (a) (用于线性问题)。"""
        return self._bilinear_form

    def get_linear_form(self) -> Optional[ufl.Form]:
        """返回变分问题的线性形式 (L) (用于线性问题)。"""
        return self._linear_form

    def get_boundary_conditions(self) -> List[fem.DirichletBC]:
        """返回此问题的狄利克雷边界条件列表。"""
        return self._bcs

    def get_variable_to_solve(self) -> Optional[fem.Function]:
        """返回此问题旨在求解的 dolfinx.fem.Function。"""
        return self._variable_to_solve

    def get_test_function(self) -> Optional[ufl.Argument]:
        """返回与此问题关联的 UFL 试函数 (ufl.Argument)。"""
        return self._test_function

    def get_trial_function(self) -> Optional[ufl.Argument]:
        """返回与此问题关联的 UFL 试验函数 (ufl.Argument) (如果适用)。"""
        return self._trial_function

    def __repr__(self) -> str:
        return f"<{self.__class__.__name__}(problem_name='{self.problem_name}', variable='{self._variable_to_solve.name if self._variable_to_solve and hasattr(self._variable_to_solve, 'name') else None}')>"

if __name__ == '__main__':
    # 此部分用于基本演示，可能需要 FEniCSx 组件才能完全运行。
    print("ProblemDefinitionBase 已定义。")
    if FENICSX_AVAILABLE:
        print("FEniCSx 组件似乎可用。")
        # 具体类的示例 (非常基础，用于说明)
        class MyTestProblem(ProblemDefinitionBase):
            def setup_problem(self):
                print(f"正在设置 MyTestProblem: {self.problem_name}")
                # 在实际场景中，您将从 self.fem_entities 获取这些内容，
                # 并定义实际的 UFL 形式和边界条件。
                # 目前，仅为占位符赋值。
                # self._variable_to_solve = fem.Function(...) 
                # self._test_function = ufl.TestFunction(...) 
                # self._bcs = [fem.DirichletBC(...)]
                self._residual_form = "占位符残差形式"
                print(f"MyTestProblem '{self.problem_name}' 设置完成。")

        # 用于实例化的虚拟数据 (需要真实的 FEniCSx 对象)
        mock_fem_entities = {"mesh": None, "function_spaces": {"V_phi_s": None}}
        mock_material_functions = {"sigma_eff": None}
        mock_params = SimulationParameters() # 假设 SimulationParameters 可以实例化
        mock_comm = None # 如果使用 MPI 运行，则为 MPI.COMM_WORLD
        
        try:
            test_problem = MyTestProblem(
                problem_name="test_solid_potential",
                fem_entities=mock_fem_entities,
                material_functions=mock_material_functions,
                params=mock_params,
                comm=mock_comm
            )
            print(test_problem)
            print(f"残差形式: {test_problem.get_residual_form()}")
            print(f"边界条件: {test_problem.get_boundary_conditions()}")
        except Exception as e:
            print(f"无法运行 MyTestProblem 示例 (FEniCSx 组件可能缺失或模拟不足): {e}")
    else:
        print("FEniCSx 组件不可用。ProblemDefinitionBase 的完整示例无法运行。") 